Teleportasi kuantum adalah salah satu protokol terpenting dalam informasi kuantum. Berdasarkan keterjeratan sumber daya fisik, ini berfungsi sebagai elemen utama dari berbagai tugas informasi dan merupakan komponen penting dari teknologi kuantum, memainkan peran kunci dalam pengembangan lebih lanjut dari komputasi kuantum, jaringan dan komunikasi.
Dari fiksi ilmiah hingga penemuan ilmuwan
Sudah lebih dari dua dekade sejak penemuan teleportasi kuantum, yang mungkin merupakan salah satu konsekuensi paling menarik dan menggairahkan dari "keanehan" mekanika kuantum. Sebelum penemuan-penemuan besar ini dibuat, ide ini termasuk dalam ranah fiksi ilmiah. Pertama kali diciptakan pada tahun 1931 oleh Charles H. Fort, istilah "teleportasi" telah digunakan untuk merujuk pada proses di mana tubuh dan benda dipindahkan dari satu tempat ke tempat lain tanpa benar-benar menempuh jarak di antara mereka.
Pada tahun 1993, sebuah artikel diterbitkan menjelaskan protokol informasi kuantum, yang disebut"teleportasi kuantum", yang berbagi beberapa fitur yang tercantum di atas. Di dalamnya, keadaan sistem fisik yang tidak diketahui diukur dan kemudian direproduksi atau "dipasang kembali" di lokasi yang jauh (elemen fisik dari sistem asli tetap berada di lokasi transmisi). Proses ini membutuhkan sarana komunikasi klasik dan tidak termasuk komunikasi FTL. Ini membutuhkan sumber keterjeratan. Faktanya, teleportasi dapat dilihat sebagai protokol informasi kuantum yang paling jelas menunjukkan sifat keterjeratan: tanpa kehadirannya, keadaan transmisi seperti itu tidak akan mungkin terjadi dalam kerangka hukum yang menjelaskan mekanika kuantum.
Teleportasi berperan aktif dalam perkembangan ilmu informasi. Di satu sisi, ini adalah protokol konseptual yang memainkan peran penting dalam pengembangan teori informasi kuantum formal, dan di sisi lain, ini adalah komponen fundamental dari banyak teknologi. Repeater kuantum adalah elemen kunci komunikasi jarak jauh. Teleportasi sakelar kuantum, komputasi berbasis dimensi, dan jaringan kuantum adalah turunannya. Ini juga digunakan sebagai alat sederhana untuk mempelajari fisika "ekstrim" mengenai kurva waktu dan penguapan lubang hitam.
Hari ini, teleportasi kuantum telah dikonfirmasi di laboratorium di seluruh dunia menggunakan banyak substrat dan teknologi yang berbeda, termasuk qubit fotonik, resonansi magnetik nuklir, mode optik, kelompok atom, atom yang terperangkap, dansistem semikonduktor. Hasil luar biasa telah dicapai di bidang jangkauan teleportasi, eksperimen dengan satelit akan datang. Selain itu, upaya telah mulai ditingkatkan ke sistem yang lebih kompleks.
Teleportasi qubit
Teleportasi kuantum pertama kali dijelaskan untuk sistem dua tingkat, yang disebut qubit. Protokol menganggap dua pihak yang jauh, yang disebut Alice dan Bob, yang berbagi 2 qubit, A dan B, dalam keadaan terjerat murni, juga disebut pasangan Bell. Pada input, Alice diberikan qubit a lain, yang statusnya tidak diketahui. Dia kemudian melakukan pengukuran kuantum bersama yang disebut deteksi Bell. Dibutuhkan a dan A ke salah satu dari empat status Bell. Akibatnya, status qubit input Alice menghilang selama pengukuran, dan qubit B Bob secara bersamaan diproyeksikan ke †kρP k. Pada tahap terakhir protokol, Alice mengirimkan hasil klasik pengukurannya kepada Bob, yang menggunakan operator Pauli Pk untuk mengembalikan. asli
Keadaan awal qubit Alice dianggap tidak diketahui, karena jika tidak, protokol direduksi menjadi pengukuran jarak jauh. Atau, itu sendiri mungkin menjadi bagian dari sistem komposit yang lebih besar yang dibagikan dengan pihak ketiga (dalam hal ini, teleportasi yang berhasil memerlukan reproduksi semua korelasi dengan pihak ketiga tersebut).
Eksperimen teleportasi kuantum tipikal mengasumsikan keadaan awal murni dan termasuk dalam alfabet terbatas,misalnya, enam kutub bola Bloch. Dengan adanya dekoherensi, kualitas keadaan yang direkonstruksi dapat diukur dengan akurasi teleportasi F [0, 1]. Ini adalah akurasi antara status Alice dan Bob, yang dirata-ratakan untuk semua hasil deteksi Bell dan alfabet asli. Pada nilai akurasi rendah, ada metode yang memungkinkan teleportasi tidak sempurna tanpa menggunakan sumber daya yang dikaburkan. Misalnya, Alice dapat langsung mengukur keadaan awalnya dengan mengirimkan hasilnya ke Bob untuk menyiapkan keadaan yang dihasilkan. Strategi persiapan pengukuran ini disebut "teleportasi klasik". Ini memiliki presisi maksimum Fclass=2/3 untuk keadaan input arbitrer, yang setara dengan alfabet keadaan yang saling tidak bias, seperti enam kutub bola Bloch.
Dengan demikian, indikasi yang jelas dari penggunaan sumber daya kuantum adalah nilai akurasi F> Fkelas.
Tidak ada satu qubit
Menurut fisika kuantum, teleportasi tidak terbatas pada qubit, tetapi dapat mencakup sistem multidimensi. Untuk setiap dimensi berhingga d, seseorang dapat memformulasikan skema teleportasi ideal menggunakan basis vektor keadaan terjerat maksimal, yang dapat diperoleh dari keadaan terjerat maksimal yang diberikan dan basis {Uk} dari operator kesatuan yang memenuhi tr(U †j Uk)=dδj, k . Protokol seperti itu dapat dibangun untuk Hilbert. berdimensi-hinggaruang yang disebut. sistem variabel diskrit.
Selain itu, teleportasi kuantum juga dapat diperluas ke sistem dengan ruang Hilbert berdimensi tak hingga, yang disebut sistem variabel kontinu. Sebagai aturan, mereka diwujudkan oleh mode bosonik optik, medan listriknya dapat dijelaskan oleh operator kuadratur.
Prinsip kecepatan dan ketidakpastian
Berapa kecepatan teleportasi kuantum? Informasi ditransmisikan dengan kecepatan yang mirip dengan jumlah transmisi klasik yang sama - mungkin dengan kecepatan cahaya. Secara teoritis, ini dapat digunakan dengan cara yang klasik tidak bisa - misalnya, dalam komputasi kuantum, di mana data hanya tersedia untuk penerima.
Apakah teleportasi kuantum melanggar prinsip ketidakpastian? Di masa lalu, gagasan teleportasi tidak dianggap serius oleh para ilmuwan karena dianggap melanggar prinsip bahwa setiap proses pengukuran atau pemindaian tidak akan mengekstrak semua informasi tentang atom atau objek lain. Menurut prinsip ketidakpastian, semakin akurat suatu objek dipindai, semakin dipengaruhi oleh proses pemindaian, hingga tercapai suatu titik di mana keadaan asli objek dilanggar sedemikian rupa sehingga tidak mungkin lagi diperoleh informasi yang cukup untuk membuat salinan yang tepat. Ini terdengar meyakinkan: jika seseorang tidak dapat mengekstrak informasi dari suatu objek untuk membuat salinan yang sempurna, maka yang terakhir tidak dapat dibuat.
Teleportasi kuantum untuk boneka
Tetapi enam ilmuwan (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez, dan William Wuthers) menemukan jalan keluar dari logika ini dengan menggunakan fitur mekanika kuantum yang terkenal dan paradoks yang dikenal sebagai Einstein-Podolsky- Efek mawar. Mereka menemukan cara untuk memindai sebagian informasi dari objek A yang diteleportasi, dan mentransfer sisa bagian yang belum diverifikasi melalui efek yang disebutkan ke objek C lain, yang tidak pernah berhubungan dengan A.
Selanjutnya, dengan menerapkan pengaruh yang bergantung pada informasi yang dipindai ke C, Anda dapat memasukkan C ke status A sebelum memindai. A itu sendiri tidak lagi dalam keadaan yang sama, karena telah sepenuhnya diubah oleh proses pemindaian, jadi yang dicapai adalah teleportasi, bukan replikasi.
Berjuang untuk jangkauan
- Teleportasi kuantum pertama dilakukan pada tahun 1997 hampir bersamaan oleh para ilmuwan dari Universitas Innsbruck dan Universitas Roma. Selama percobaan, foton asli, yang memiliki polarisasi, dan salah satu dari pasangan foton terjerat, diubah sedemikian rupa sehingga foton kedua menerima polarisasi dari yang asli. Dalam hal ini, kedua foton berada pada jarak satu sama lain.
- Pada tahun 2012 terjadi teleportasi kuantum lainnya (Cina, Universitas Sains dan Teknologi) melalui danau pegunungan yang tinggi pada jarak 97 km. Sebuah tim ilmuwan dari Shanghai, yang dipimpin oleh Huang Yin, berhasil mengembangkan mekanisme pelacak yang memungkinkan untuk mengarahkan sinar secara akurat.
- Pada bulan September tahun yang sama, rekor teleportasi kuantum sejauh 143 km dilakukan. Ilmuwan Austria dari Akademi Ilmu Pengetahuan dan Universitas AustriaWina, yang dipimpin oleh Anton Zeilinger, berhasil mentransfer status kuantum antara dua Kepulauan Canary, La Palma dan Tenerife. Eksperimen ini menggunakan dua jalur komunikasi optik di ruang terbuka, kuantum dan klasik, polarisasi tak berkorelasi frekuensi yang menjerat pasangan foton sumber, detektor foton tunggal derau ultra-rendah, dan sinkronisasi jam berpasangan.
- Pada tahun 2015, para peneliti dari Institut Standar dan Teknologi Nasional AS untuk pertama kalinya mengirimkan informasi melalui jarak lebih dari 100 km melalui serat optik. Ini menjadi mungkin berkat detektor foton tunggal yang dibuat di institut tersebut, menggunakan kawat nano superkonduktor yang terbuat dari molibdenum silisida.
Jelas bahwa sistem atau teknologi kuantum yang ideal belum ada dan penemuan-penemuan hebat di masa depan masih akan datang. Namun demikian, seseorang dapat mencoba mengidentifikasi kandidat yang mungkin dalam aplikasi teleportasi tertentu. Hibridisasi yang cocok untuk ini, dengan kerangka dan metode yang kompatibel, dapat memberikan masa depan yang paling menjanjikan untuk teleportasi kuantum dan aplikasinya.
Jarak pendek
Teleportasi jarak pendek (hingga 1 m) sebagai subsistem komputasi kuantum menjanjikan untuk perangkat semikonduktor, yang terbaik adalah skema QED. Secara khusus, qubit transmon superkonduktor dapat menjamin teleportasi on-chip yang deterministik dan presisi tinggi. Mereka juga memungkinkan umpan langsung waktu nyata, yangterlihat bermasalah pada chip fotonik. Selain itu, mereka menyediakan arsitektur yang lebih terukur dan integrasi yang lebih baik dari teknologi yang ada dibandingkan dengan pendekatan sebelumnya seperti ion yang terperangkap. Saat ini, satu-satunya kelemahan sistem ini tampaknya adalah waktu koherensi yang terbatas (<100 s). Masalah ini dapat diselesaikan dengan mengintegrasikan sirkuit QED dengan sel memori ansambel spin semikonduktor (dengan kekosongan tersubstitusi nitrogen atau kristal yang didoping tanah jarang), yang dapat memberikan waktu koherensi yang lama untuk penyimpanan data kuantum. Implementasi ini saat ini menjadi subyek banyak upaya dari komunitas ilmiah.
Komunikasi kota
Komunikasi teleportasi dalam skala kota (beberapa kilometer) dapat dikembangkan menggunakan mode optik. Dengan kerugian yang cukup rendah, sistem ini memberikan kecepatan dan bandwidth yang tinggi. Mereka dapat diperluas dari implementasi desktop ke sistem jarak menengah yang beroperasi melalui udara atau serat, dengan kemungkinan integrasi dengan memori kuantum ensemble. Jarak yang lebih jauh tetapi kecepatan yang lebih rendah dapat dicapai dengan pendekatan hybrid atau dengan mengembangkan repeater yang baik berdasarkan proses non-Gaussian.
Komunikasi jarak jauh
Teleportasi kuantum jarak jauh (lebih dari 100 km) adalah area aktif, tetapi masih mengalami masalah terbuka. Qubit polarisasi -operator terbaik untuk teleportasi kecepatan rendah melalui tautan serat panjang dan udara, tetapi protokol saat ini probabilistik karena deteksi Bel yang tidak lengkap.
Sementara teleportasi dan keterjeratan probabilistik dapat diterima untuk masalah seperti distilasi keterjeratan dan kriptografi kuantum, ini jelas berbeda dari komunikasi, di mana masukan harus benar-benar dipertahankan.
Jika kita menerima sifat probabilistik ini, maka implementasi satelit berada dalam jangkauan teknologi modern. Selain integrasi metode pelacakan, masalah utama adalah kerugian yang tinggi yang disebabkan oleh penyebaran sinar. Hal ini dapat diatasi dalam konfigurasi di mana keterjeratan didistribusikan dari satelit ke teleskop berbasis darat dengan bukaan besar. Dengan asumsi bukaan satelit 20 cm pada ketinggian 600 km dan bukaan teleskop 1 m di tanah, sekitar 75 dB kehilangan tautan ke bawah dapat diharapkan, yang kurang dari kehilangan 80 dB di permukaan tanah. Implementasi ground-to-satelite atau satelit-to-satelite lebih kompleks.
Memori kuantum
Penggunaan teleportasi di masa mendatang sebagai bagian dari jaringan yang dapat diskalakan secara langsung bergantung pada integrasinya dengan memori kuantum. Yang terakhir harus memiliki antarmuka radiasi-ke-materi yang sangat baik dalam hal efisiensi konversi, akurasi perekaman dan pembacaan, waktu penyimpanan dan bandwidth, kecepatan tinggi dan kapasitas penyimpanan. PertamaPada gilirannya, ini akan memungkinkan penggunaan relai untuk memperluas komunikasi jauh melampaui transmisi langsung menggunakan kode koreksi kesalahan. Pengembangan memori kuantum yang baik akan memungkinkan tidak hanya untuk mendistribusikan keterjeratan melalui jaringan dan komunikasi teleportasi, tetapi juga untuk memproses informasi yang disimpan secara koheren. Pada akhirnya, ini dapat mengubah jaringan menjadi komputer kuantum yang didistribusikan secara global atau dasar untuk internet kuantum masa depan.
Perkembangan yang menjanjikan
Ansambel atom secara tradisional dianggap menarik karena konversi cahaya-ke-materi yang efisien dan masa pakai milidetiknya, yang dapat mencapai 100 ms yang diperlukan untuk mentransmisikan cahaya dalam skala global. Namun, perkembangan yang lebih menjanjikan saat ini diharapkan berdasarkan pada sistem semikonduktor, di mana memori kuantum spin-ensemble yang sangat baik terintegrasi langsung dengan arsitektur sirkuit QED yang dapat diskalakan. Memori ini tidak hanya dapat memperpanjang waktu koherensi sirkuit QED, tetapi juga menyediakan antarmuka gelombang mikro optik untuk interkonversi foton gelombang mikro optik-telekomunikasi dan chip.
Dengan demikian, penemuan ilmuwan masa depan di bidang internet kuantum kemungkinan besar akan didasarkan pada komunikasi optik jarak jauh yang digabungkan dengan simpul semikonduktor untuk memproses informasi kuantum.
